劉旭東，章志龍，杜國(guó)禎

（1.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；2.甘肅民族師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，甘肅合作 747000）

物候是生物受環(huán)境因素驅(qū)動(dòng)的周期性現(xiàn)象[1]，植物物候?qū)﹃懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)變化具有重要的指示作用，是響應(yīng)區(qū)域環(huán)境變化最敏感的性狀之一[2-3]。物候是研究植物響應(yīng)氣候環(huán)境變化最簡(jiǎn)單的方式[4]，植物物候與環(huán)境變化(溫度、水分和土壤養(yǎng)分)存在高度的關(guān)聯(lián)性[5]，是植物應(yīng)對(duì)選擇壓力的適應(yīng)性策略[6]。在全球變化日趨明顯的背景下，物候變化不僅關(guān)系到植物個(gè)體的生存和繁衍，還將對(duì)群落生物多樣性的維持產(chǎn)生重要影響[7]。

全球氮沉降的加劇被視為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要驅(qū)動(dòng)因子[8-9]。氮是高寒生態(tài)系統(tǒng)最重要的限制性養(yǎng)分元素[10]，外源性氮輸入則能夠減輕氮營(yíng)養(yǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)的限制[11]。高寒生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有高度的敏感性[12-13]，并對(duì)這些變化的響應(yīng)具有超前性[14]。氮營(yíng)養(yǎng)作為重要的環(huán)境因子明顯地影響著群落結(jié)構(gòu)和功能[15-17]，也對(duì)草地群落植物物候有著不同程度的影響[18-20]。同時(shí)，物候作為氣候變化的“指紋”，表現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)，在一定程度上決定著群落水平的進(jìn)化過(guò)程[21-23]。盡管如此，目前關(guān)于環(huán)境變化影響群落花期物候的機(jī)理尚不清楚[24-25]。

對(duì)青藏高原草地群落物候的研究不僅有助于深入認(rèn)識(shí)草地群落構(gòu)建機(jī)制，也有助于了解氣候變化(例如氮沉降)對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，為預(yù)測(cè)和評(píng)估青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。本研究基于高寒草甸6年氮添加試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)不同氮添加處理下高寒草甸群落花期物候的觀測(cè)，研究不同功能群物種花期物候?qū)Φ砑拥捻憫?yīng)和主要組分種花期物候參數(shù)之間的關(guān)系，以及氮添加條件下高寒草甸花期物候和群落格局的動(dòng)態(tài)變化，以期明確氮添加對(duì)高寒草甸植物花期物候和群落動(dòng)態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地位于蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(瑪曲縣阿孜站，33°40′N(xiāo)，101°52′E)，海拔約3 550 m，年均溫1.2℃(在生長(zhǎng)季6月–8月最高溫度達(dá)到11.7℃，在非生長(zhǎng)季11月?翌年4月溫度低至?10℃)，年均降水量為620 mm(圖1)。年均日照時(shí)數(shù)約為2 580 h，年均霜降天數(shù) >270 d；植被屬于高寒草甸類，主要優(yōu)勢(shì)種有禾草類植物垂穗披堿草(Elymus nutans)、草地早熟禾(Poa pratensis)、胡氏剪股穎(Agrostis hugoniana)，雜草類植物條葉銀蓮花(Anemone trullifolia)、鈍裂銀蓮花(Anemone obtusiloba)、絲葉毛茛(Ranunculus tanguticus)、小花草玉梅(Anemone rivularis)和瑞苓草(Saussurea nigrescens)等。研究樣地自2008年起圍封，僅冬季放牧。

圖1 2014年研究地日均氣溫與降水量變化Figure 1 Mean daily temperature and daily precipitation of thestudy site in 2014

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2009年4月在圍欄封育的季節(jié)性放牧草地中設(shè)置15個(gè)10 m ×6 m 的樣區(qū)，各樣區(qū)間距為2 m。在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置3個(gè)氮添加處理小區(qū)，分別為對(duì)照(CK,0 g·m?2)、低氮處理(LN,5 g·m?2)和高氮處理(HN, 10 g·m?2)，每個(gè)小區(qū)的面積為2.5 m ×6 m，緩沖帶為1 m。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置1個(gè)0.5 m ×0.5 m的固定樣方用于物候觀測(cè)。所用含氮試劑為硝酸銨(NH4NO3)，每年5月初，為了確保氮肥能夠被植物有效吸收利用，并且保證氮肥隨流水的淋失作用降到最小，在多云的陰天將氮肥施加到相應(yīng)的梯度處理樣方中[26]。

1.3 物候觀測(cè)及花期計(jì)算

于2014年整個(gè)生長(zhǎng)季(4月中旬? 10月初)，每6～7 d 記錄一次樣方內(nèi)出現(xiàn)的物種及物候期，每次記錄獨(dú)立于上次進(jìn)行，共觀測(cè)24次。本研究只關(guān)注始花期(first flowering date,FFD)和花期持續(xù)時(shí)間(flowering duration,FD)以及每次觀測(cè)時(shí)群落中處于花期的物種豐富度，每個(gè)觀測(cè)樣方中，當(dāng)雜草類植物出現(xiàn)可辨認(rèn)的花瓣、花藥和花絲時(shí)，記錄為始花期；當(dāng)禾草類植物的小穗只要不再被葉鞘包裹時(shí)，記錄為始花期；當(dāng)花瓣、花藥、花絲或萼片開(kāi)始枯萎時(shí)，記錄為終花期[23,27]，并以儒略歷(Julian day，1月1日為1年中第1天)計(jì)數(shù)法計(jì)時(shí)。物種的始花期和終花期是處于該物候期的物種出現(xiàn)在開(kāi)花樣方中時(shí)間的平均值[28]。花期持續(xù)時(shí)間為對(duì)應(yīng)樣方中終花期時(shí)間與始花期時(shí)間的差值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在3種氮添加處理水平樣方中均出現(xiàn)開(kāi)花且在樣本數(shù)量滿足的情況下，以對(duì)照(CK)為基準(zhǔn)，分別用低氮處理(LN)的數(shù)據(jù)和高氮處理(HN)的數(shù)據(jù)減去對(duì)照的數(shù)據(jù)，從而得到物種的花期提前與延遲的天數(shù)。用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)氮添加對(duì)主要組分種和功能群(禾草類和雜草類)的始花期(FFD)和花期持續(xù)時(shí)間(FD)的影響。本研究中禾草類物種主要指禾本科物種，雜草類物種指除禾本科和豆科外的其他物種。用多重比較中的最小顯著差數(shù)法(LSD method)比較始花期和花期持續(xù)時(shí)間在不同氮添加水平之間的差異(P<0.05)。始花期和花期持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系采用Pearson 相關(guān)分析進(jìn)行驗(yàn)證。所有的分析和繪圖分別在SPSS 25.0和OriginPro 2016中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落主要組分物種和功能群花期物候?qū)Φ砑拥捻憫?yīng)

相對(duì)于對(duì)照，施氮處理明顯影響了群落中主要組分種的花期物候(圖2和圖3)。

圖2 低氮添加處理對(duì)高寒草甸25個(gè)常見(jiàn)物種始花期和花期持續(xù)時(shí)間的影響Figure 2 Effect of low nitrogen addition treatment on the first flowering date and flowering duration of 25 common alpine species

圖3 高氮添加處理對(duì)高寒草甸25個(gè)常見(jiàn)物種始花期和花期持續(xù)時(shí)間的影響Figure 3 Effect of high nitrogen addition treatment on the first flowering date and flowering duration of 25 common alpine species

低氮處理?xiàng)l件下，禾草類物種草地早熟禾、密花早熟禾(Poa poophagorum)、異針茅(Stipa aliena)、胡氏剪股穎、垂穗披堿草、羊茅(Festuca ovina)、芒剪股穎(Agrostis trinii)的始花期普遍性推遲(P<0.05)；禾草類物種花期持續(xù)時(shí)間除垂穗披堿草顯著延長(zhǎng)(P<0.05)外，其余物種花期持續(xù)時(shí)間均有一定縮短，其中羊茅的花期持續(xù)時(shí)間顯著縮短(P<0.05)。雜草類物種始花期和花期持續(xù)時(shí)間對(duì)施肥的響應(yīng)因物種而異。菊科物種瑞苓草的始花期顯著推遲(P< 0.05)，花期持續(xù)時(shí)間縮短；毛茛科物種鈍裂銀蓮花、高山唐松草(Thalictrum alpinum)、條葉銀蓮花、展毛翠雀花(Delphinium kamaonense)、絲葉毛茛的始花期顯著提前(P<0.05)，而鈍裂銀蓮花和小花草玉梅的花期持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(P<0.05)；龍膽科物種濕生扁蕾(Gentianopsis barbata)、華麗龍膽(Gentiana sino-ornata)和橢圓葉花錨(Halenia elliptica)，玄參科物種短腺小米草(Euphrasia regelii)和毛果婆婆納(Veronica eriogyne)，傘形科物種細(xì)葉東俄芹(Tongoloa tenuifolia)和薔薇科物種莓葉委陵菜(Potentilla fragarioides)的始花期顯著提前(P< 0.05)，其中細(xì)葉東俄芹、短腺小米草和毛果婆婆納的花期持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(P<0.05)。

高氮處理?xiàng)l件下，禾草類物種除洽草(Koeleria cristata)和針茅(Stipa capillata)的始花期變化不顯著(P> 0.05)外，其余物種始花期均顯著推遲(P<0.05)。禾草類物種花期持續(xù)時(shí)間除垂穗披堿草外普遍縮短，其中異針茅和羊茅的花期持續(xù)時(shí)間顯著縮短(P<0.05)，垂穗披堿草的花期持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(P<0.05)。雜草類菊科物種瑞苓草的始花期顯著推遲(P<0.05)，花期持續(xù)時(shí)間縮短；毛茛科物種鈍裂銀蓮花、絲葉毛茛、小花草玉梅、條葉銀蓮花和高山唐松草的始花期顯著提前(P<0.05)，花期持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(P<0.05)；龍膽科物種濕生扁蕾、橢圓葉花錨和華麗龍膽的始花期顯著提前(P<0.05)，花期持續(xù)時(shí)間變化各異；玄參科物種毛果婆婆納和短腺小米草，傘形科物種細(xì)葉東俄芹和薔薇科物種莓葉委陵菜的始花期顯著提前(P<0.05)，花期持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(P<0.05)。

氮添加總體上導(dǎo)致禾草類物種的始花期顯著推遲(LN和HN：P<0.01)；雜草類物種始花期提前，其中在低氮處理水平下變化不顯著(P>0.05)，而在高氮條件下，雜草類物種始花期顯著提前(P<0.05)(圖4a)。禾草類物種花期持續(xù)時(shí)間在高氮處理下顯著縮短(P<0.05)；雜草類物種的花期持續(xù)時(shí)間在不同氮處理水平下均顯著延長(zhǎng)(LN：P<0.05；HN：P<0.01)(圖4b)。

圖4 不同氮添加處理下功能群始花期和花期持續(xù)時(shí)間的變化Figure 4 Changes in the first flowering date and flowering duration of the different functional groups under the different nitrogen addition levels

相關(guān)性分析結(jié)果顯示(圖5)，自然群落(r=?0.41，P=0.006 7)、低氮處理群落(r=?0.49，P=0.004 6)和高氮處理群落(r=?0.47，P=0.013 2)的物種始花期與花期持續(xù)時(shí)間之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性，表明物種開(kāi)花時(shí)間越早，其花期持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，且在不同氮處理水平之間具有相同的趨勢(shì)。

圖5 氮添加條件下物種始花期和花期持續(xù)時(shí)間的相關(guān)性Figure5 Relationship between the first flowering date and flowering duration of thedifferent nitrogen addition levels

2.2 氮添加后群落花期物種豐富度的變化

對(duì)試驗(yàn)群落中開(kāi)花物種物候觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，群落中花期物種遍及整個(gè)生長(zhǎng)季，群落種間花期在生長(zhǎng)季內(nèi)呈連續(xù)交錯(cuò)趨勢(shì)并持續(xù)5個(gè)月時(shí)間。大部分物種花期集中在7月? 8月，其中在自然群落中觀測(cè)到49個(gè)物種開(kāi)花，在低氮處理群落中觀測(cè)到35個(gè)物種開(kāi)花，在高氮處理群落中觀測(cè)到25個(gè)物種開(kāi)花。在3個(gè)處理中處于花期的物種多樣性在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的變化都是迅速的，從4月下旬群落返青伊始便進(jìn)入花期，以較快的速度在6月末7月初達(dá)到頂峰后迅速下降，直到10月初生長(zhǎng)季結(jié)束。群落中處于花期的物種多樣性隨時(shí)間呈峰型分布(圖6)。在不同氮添加水平下，花期物種豐富度變化顯著，且隨著施氮量的增加群落中花期物種豐富度降低，每次觀測(cè)時(shí)群落中開(kāi)花物種組成的相似性隨著施氮量的增加而降低，低氮群落和高氮群落中花期物種豐富度與自然群落相比分別降低了29%和49%。

圖6 生長(zhǎng)季群落中花期物種豐富度對(duì)氮添加的響應(yīng)Figure 6 Species richness of flowering response to nitrogen addition during growth season

3 討論

本研究表明，氮添加能夠顯著影響高寒草甸群落中25個(gè)主要組分種的花期物候，具體表現(xiàn)為禾草類物種始花期普遍推遲，開(kāi)花持續(xù)時(shí)間縮短，而大部分雜草類物種始花期提前，花期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。這一結(jié)果說(shuō)明植物花期物候的變化除自身生活史特性決定外，環(huán)境因素變化也發(fā)揮著重要的作用。本研究中，物種花期物候的變化趨勢(shì)類似于北美一年生草地群落[29]和內(nèi)蒙古草原群落中所研究的花期物候變化結(jié)果[30]，但是與高原苔原群落中所研究的結(jié)果相反，該地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)氮添加導(dǎo)致禾草類植物始花期提前，而雜草類植物始花期推遲[18]。這說(shuō)明氮添加對(duì)植物物候的影響在一定程度上依賴于植物所處的生境類型。

在不同生境條件下，同一功能類型的植物可能使用不同的生長(zhǎng)策略。大量研究發(fā)現(xiàn)，相較于雜草類，氮添加更加有利于禾草類植物的生長(zhǎng)[31]。植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變是以生物量分配的變化和隨后營(yíng)養(yǎng)攝取減少為特征[32]。在營(yíng)養(yǎng)豐富的生境中，植物通過(guò)攝取更多的營(yíng)養(yǎng)和花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間用于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[33]，對(duì)于晚期開(kāi)花物種來(lái)說(shuō)更是如此。通過(guò)增加營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，禾草類物種對(duì)限制性光源和氮的競(jìng)爭(zhēng)更具有優(yōu)勢(shì)，在施氮的樣方中占據(jù)更加明顯的優(yōu)勢(shì)地位，從而表明在高寒地區(qū)禾草類物種是良好的氮競(jìng)爭(zhēng)者[34]。大多數(shù)雜草類物種開(kāi)花較早，這種早開(kāi)花策略有助于它們避免與禾草類植物進(jìn)行激烈的光資源競(jìng)爭(zhēng)[35]。因此，在施氮條件下，于生長(zhǎng)季早期大多數(shù)雜草類物種花期提前可能有利于它們?cè)诤笃谏L(zhǎng)中避免激烈的光競(jìng)爭(zhēng)。

本研究中，氮添加使得禾草類物種推遲開(kāi)花，這意味著植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的推遲，在一定程度上表明植物加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)或克隆生長(zhǎng)[29]。相比之下，雜草類物種在氮添加條件下提前開(kāi)花并延長(zhǎng)花期持續(xù)時(shí)間，而開(kāi)花持續(xù)期的延長(zhǎng)意味著植物在花期時(shí)間生態(tài)位上有更多的時(shí)間吸引傳粉者或?qū)崿F(xiàn)成功傳粉，從而有利于有性繁殖。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，物種花期持續(xù)時(shí)間與始花期之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明氮添加后，在生長(zhǎng)季早期開(kāi)花的物種較生長(zhǎng)季中后期開(kāi)花的物種來(lái)說(shuō)，花期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。高寒草甸群落中條葉銀蓮花、鈍裂銀蓮花以及高山唐松草等物種在生長(zhǎng)季早期開(kāi)花，即使它們能夠進(jìn)行繁殖后營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，但是相對(duì)于生長(zhǎng)季中后期開(kāi)花物種的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，其高度仍處于劣勢(shì)，所以早期開(kāi)花物種為了避免在生長(zhǎng)季后期資源競(jìng)爭(zhēng)(如光、傳粉者等)中處于不利地位，采用了有利于其生殖生長(zhǎng)的開(kāi)花對(duì)策。本研究結(jié)果表明，在生長(zhǎng)季前期物種始花期普遍提前，且花期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，使得其能夠在繁殖階段充分利用環(huán)境中有限的營(yíng)養(yǎng)資源。同時(shí)，由于在高寒地區(qū)生長(zhǎng)季較短，晚開(kāi)花物種受環(huán)境變化因素影響的風(fēng)險(xiǎn)增大(如霜降等)。因此早開(kāi)花物種受限于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，而遲開(kāi)花物種通常受限于生殖生長(zhǎng)。高寒草甸植物群落中大多數(shù)物種花期物候?qū)Φ砑拥捻憫?yīng)較為敏感，表現(xiàn)出不同的變化。由于群落中物種受生物、非生物以及其內(nèi)在因素的影響，因此開(kāi)花時(shí)間頻繁地處在多種選擇壓力之下[36-37]。

長(zhǎng)期物候觀測(cè)研究表明，在融雪提前和冬季溫度升高條件下，大多數(shù)植物始花期顯著提前，這說(shuō)明表型可塑性在植物開(kāi)花過(guò)程中扮演著重要作用[38]。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)植物物候過(guò)程主要由遺傳因素決定[33]。植物對(duì)環(huán)境因素(如光周期、降水、溫度、春化作用、融雪時(shí)間和土壤養(yǎng)分)的響應(yīng)，引起開(kāi)花時(shí)間的變化，是植物應(yīng)對(duì)環(huán)境時(shí)空異質(zhì)性變化的重要策略之一[39]。雖然氮是影響高寒草甸植物物候的重要環(huán)境因子，但是要詳細(xì)地闡明其對(duì)不同植物物種和功能群物候的影響，還需進(jìn)一步觀察研究。同時(shí)，高寒草甸群落物種在時(shí)間生態(tài)位上的權(quán)衡，對(duì)于物種共存來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[40]。

群落中植物花期物候分布受多種環(huán)境因素共同作用[37]，對(duì)環(huán)境變化十分敏感，而花期物候的變化可能會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[41]。本研究通過(guò)對(duì)群落中物種整個(gè)生長(zhǎng)季的物候觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，物種間開(kāi)花期呈現(xiàn)連續(xù)交錯(cuò)趨勢(shì)，氮添加后群落中花期物種豐富度顯著降低，低氮群落和高氮群落的花期物種豐富度相較于自然群落分別降低了29%和49%。氮是影響草地群落物種生長(zhǎng)的主要限制元素[42]，氮添加導(dǎo)致環(huán)境異質(zhì)性降低，從而影響植物的功能性狀和繁殖策略[43-44]，當(dāng)環(huán)境中氮含量超過(guò)一定值時(shí)則會(huì)造成物種多樣性降低，進(jìn)而改變?nèi)郝涞慕M成結(jié)構(gòu)和自然格局[45-46]。在高寒區(qū)域植物生長(zhǎng)期短暫，群落物候的微小變化足以改變種間物候補(bǔ)償效應(yīng)[47]。氮添加后群落蓋度和高度的增加可能會(huì)阻礙傳粉者的活動(dòng)[48]。同時(shí)，傳粉者與其訪問(wèn)的物種花期出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)位時(shí)也會(huì)降低傳粉功能[49]。群落物種花期物候變化和群落水平花期物候分布格局的偏移會(huì)降低群落物候補(bǔ)償[50]，形成的時(shí)間生態(tài)位分化會(huì)進(jìn)一步影響群落的物種組成，進(jìn)而導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。